Преобразователь синфазной и квадратурной составляющих основной гармоники переменного тока Советский патент 1992 года по МПК G01R19/06 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в системах автоматического управления электрооборудованием, контроля и учета электроэнергии.

Цель изобретения - повышение точности преобразования.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого преобразователя: на фиг. 2 - временные диаграммы его работы.

Преобразователь синфазной и квадратурной составляющих основной гармоники переменного тока содержит первичный преобразователь 1 напряжения, вход которого соединен с входным потенциальным зажимом 2, выход через пороговый элемент 3-е управляющими входами функциональных

Л

преобразователей 4 и 5, а через последовательно соединенные фильтр 6 нижних частот и умножитель 7 частоты - с входом делителя 8 частоты, информационными входами функциональных преобразователей 4 и 5 и синхронизирующими входами преобразователей 9 и 10 напряжение - частота, информационные входы которых подключены соответственно через первый Т1 и второй 12 интеграторы к выходам первого 13 и второго 14 элементов сравнения, суммирующие входы которых подключены к выходам соответствен но первого 15 и второго 16 блоков перемножения, а вычитающие входы соединены с выходами соответственно первого 17 и второго 18 модуляторов. Первые входы блоков 15 и 16 перемножения объединены и через первичный преобразователь 19 тока подключены к токовому зажиму 20 устройства, а вторые входы подключены к выходам соответственно первого 4 и второго 5 функциональных преобразователей. Выход делителя 18 частоты соединен с входами Т-триггеров 21 и 22. Прямой выход первого Т-триггера 21 соединен с первым входом элемента И 23, управляющим входом первого модулятора 17 и через формирователь 24 импульсов записи с входом формирователя 25 импульсов сброса, выход которого подключен к объединенным управляющим входам первого 26 и второго 27 буферных регистров. Выходы буферных регистров 26 и 27 соединены через цифроаналоговые преобразователи 28 и 29 с информационными входами первого - 17 и второго 18 модуляторов, а информационные входы - соответственно с выходами .первого 30 и второго 31 реверсивных счетчиков, управляющие входы которых соединены с выходом формирователя 25 импульсов сброса. Инверсный выход первого Т-триггера 21 соединен с первым входом второго элемента И 32, выход которого соединен с вычитающим входом первого реверсивного счетчика 30, суммирующий вход которого соединен с выходом первого элемента И 23. Вторые входы элементов И 23 и 32хсоединены с выходом первого преобразователя 9 напряжение - частота. Выход второго преобразователя 10 напряжение частота соединен с вторыми входами третьего 33 и четвертого 34 элементов И. Прямой выход второго Т-триггера 22 соединен с управляющим входом второго модулятора 18 и первым входом третьего элемента И 33, выход которого соединен с суммирующим входом второго реверсивного счетчика 31, вычитающий вход которого соединен с выходом четвертого элемента И 34, первый вход которого соединен с инверсным выходом второго Т-триггера 22.

Преобразователь работает следующим образом.

Напряжение питающей сети(фиг. 2, а) поступает на вход первичного преобразователя 1 напряжения, ас его выхода подается на входы порогового элемента 3 и фильтра 6 нижних частот. Фильтр 6 нижних частот не должен вносить фазового сдвига для основной гармоники напряжения.

Сигнал с выхода фильтра 6 нижних частот поступает на вход умножителя 7 частоты на п, на выходе которого формируются импульсы (фиг. 2, г), частота которых пропорциональна частоте питающей сети f:

,.(1)

Т

где п - коэффициент передачи умножителя 7 частоты (п 2000); Т 1 /f - период сети. Функциональные преобразователи 4 и

5 представляют собой цифровые формирователи опорных квазигармонических сигналов I sin X I и I cos XI и работают следующим образом.

В моменты времени, соответствующие

положительным и отрицательным фронтам выходных импульсов порогового элемента 3 (фиг. 2, в), т.е. в моменты, соответствующие началу (t 0) и середине (t Т/2) каждого периода напряжения, функциональные

преобразователи 4 и 5 устанавливаются сигналом Us в начальное состояние. Далее функциональные преобразователи 4 и 5 выполняют преобразование количества импульсов (фиг, 2, г),поступающих с выхода

умножителя 7 частоты на их информационные входы, в квазигармонические опорные сигналы:

U4 Isin wtl;

U5.lcos (О t, . где w-круговая частота; t - текущее время;

U4, Us - напряжения на выходах функциональных преобразователей 4 (фиг. 2, д) и

5 (фиг. 2, е), которые строго синхронизированы с напряжением сети U, а их частота совпадает с частотой сети f.

Импульсы и с выхода умножителя 7 частоты поступают на делитель 8 частоты на

п/2, на выходе которого при этом формируются импульсы (фиг. 2, и) Us с частотой is 2f7/n, которая равна удвоенной частоте питающей сети (f2 2f). Импульсы с выхода делителя 8 частоты поступают одновременно на входы первого Т-триггера 21 с установкой по положительному фронту и второго Т-триггера 22 с установкой по отрицательному фронту. В результате на выходе первого Т-триггера 21 формируется последовательность импульсов U21 (фиг. 2, к), совпадающая по фазе с сигналами U и Ui (фиг. 2, а), а на выходе второго Т-триггера 22 действует последовательность импульсов U22 (фиг. 2, л), сдвинутая по фазе относительно

сигналов U и Ui на четверть периода, т.е 90 эл. град.

Импульсы U21 с прямого выхода первого Т-триггера 21 поступают на последовательно соединенные формирователь 24 импульсов записи и фррмирователь 25 импульсов сброса. На их выходах в начале каждого периода измерения, определяемого выходным сигналом первого Т-триггера 21 и, следовательно, входным напряжениемU, формируются следующие друг за другом короткий импульс записи U24 (фиг. 2, м), управл ющий записью информации в первом и втором буферных регистрах 26 и 27, и импульс сброса U25 (фиг. 2, м), обеспечивающий установку в начальное состояние первого 30 и второго 31 реверсивных счетчиков. Измеряемый несинусоидальный ток (фиг, 2. б) 1 TllMmsln(m ft)t+ ), где m - номер гармоники; 1мт - амплитуда т-й гармоники тока; (f)m- фазовый сдвиг т-й гармоники тока, преобразуется с помощью первичного преобразователя 19 тока в напряжение Ui9 Ki9i,. (3) где Ki9- коэффициент передачи первичного преобразователя 19ток. Выделение синфазной составляющей основной гармоники переменного тока осуществляется следующим образом. Блок 15 перемножения выполняет умножение сигнала Dig, пропорционального току I, на опорный квазигармонический сигнал 1)4 Isin ftJtl (фиг.-2, д). Выходной сигнал первого блока 15 перемножения Us Kigl I sin u) 11(фиг. 2, ж) поступает на суммирующий вход первого элемента 13 сравнения, на вычитающий вход которого поступает через первый модулйтор 17 выходной сигнал U28 (фиг. 2, о) первого цифроаналогового преобразователя 28 (фиг, 2, т). Так как,первый модулятор 17 управляется импульсами U21 (фиг. 2, к) с прямого выхода первого Т-Триггера 21, синфазными с входным напряжением, то, следовательно, на вычитающий вход первого элемента 13 сравнения поступает модулированное напряжение, пропорциональное синфазной составляющей основной гармоники переменного тока: Си28-Ксф1сфприО t Т/2 Uu/ t--U28 -Ксф1сф При т/2 t Т, (4) где Ксф - коэффициент передачи преобразователя по каналу синфазной составляющей. В результате на выходе первого элемента 13 сравнения формируется сигнал переменного тока Ui3, пропорциональный ошибке измерения синфазной составляющей основной гармоники переменного тока (фиг.2,р): Ul3 Ul5-Ul7 оо Ki9 I Sin У 11211мт Sin (m u; t + m) -Kcpicp sign U. Сигнал Ui3 рассогласования поступает на вход первого интегратора 11, который выполняет функции интегрального регулятора в замкнутой системе измерения. Интегратор 11 формирует сигнал переменного токаtj Uii Kii) ui3dt,(6) где Kii - коэффициент передачи интегратоpall. Напряжение Uii с выхода первого интегратора 11 поступает на вход первого преобразователя 9 напряжение - частота и преобразуется им в частоту fg следования импульсов. Преобразователь напряжение -Частота представляет собой устройство синхронного типа. Среднее значение его выходной частоты пропорционально входному, напряжению Uii и частоте f тактовых импульсое и, поступающих с выхода умножителя 7 частоты: (Ul1 + UtM),(7) где Kg- коэффициент передачи первого преобразователя 9 напряжени1е - частота; UCM - напряжение смещения преобразователя 9 напряжение - частота. Напряжение смещения UCM обеспечивает работу преобразователя напряжение частота с двухполярным входным сигналом Выходные импульсы преобразователе 9 напряжение - частота поступают на вторые входы первого и второго двухвходовых элементов И 23 и 32. В начале каждого периода измерения первый реверсивный счетчик 30 выходным импульсом формирователя 25 импульсов сброса устанавливается в нулевое состояние. В течение интервала времени О t /2 на прямом выходе первого Т-триггера 21 действует сигнал логической единицы, а на инверсном - сигнал логического нуля. Импульсы с выхода первого преобразователя 9 напряжение - частота через первый элемент И 23 поступают на суммирующий вход первого реверсивного счетчика 30. В результате в момент в первом реверсивном счетчике 30 записывается число ,. ,..Ь9(. 0 itST/2 С учетом (1) - (7) и условия 1 sin со tl sin ft)t при О t Т/2 значение Мзо равно: ,,,- K,,6;na-tZ:r sin( о Р№ ( Vm),lc4 it+Uc dt.

В течение второго полупериода Т/2 t на прямом выходе первого Т-триггера 21 действует сигнал логического нуля, а на инверсном - сигнал логической единицы. Импульсы с выхода первого преобразователя 9 напряжение - частота через второй элемент И 32 поступают на вычитающий вход первого реверсивного счетчика 30. За время обратного счета содержимое первого реверсивного счетчика 30 уменьшается на величину

т и,« |K,f7(U,,UcMlcib

оT/i.t6T т(2

.«.«ч т t

г г

I l-K,,elnwt2;;ij 5in(hfiODt т,2 а-т.(

-Vn,) c pIcJtitiUeM Jt.,

В результате в момент времени , т.е. в конце периода измерения, в первом реверсивном счетчике 30 записывается в двоично-десятичном коде число

КэКп Y (

N30 N30 - Nso

-Ксф1сф -L-). (8)

В момент времени t Т выходным импульсом U24 формирователя 24 импульсов записи производится запись содержимого первого счетчика 30 в первый буферный регистр 26. Затем выходным импульсом формирователя 25 импульсов сброса производится установка в начальное состояние первого реверсивного счетчика 30. Далее процесс повторяется.

Так как число N30. записываемое в первый буферный регистр 26. равно Ксф1сф, то уравнение (8) имеет вид

9

KgKi 1 у ( - cos 1 - Ксф1сф ) Ксф1сф.

Выразив из последнего уравнения Ксф1сф. получим

2 п Следовательно, выходной сигнал первого буферного регистра 26 пропорционален синфазной составляющей основной гармоники измеряемого тока.

Код N26 с выхода первого буферного регистра 26 поступает на вход первого цифроаналогового преобразователя 28. на выходе которого формируется сигнал постоянного тока (фиг. 2. т), пропорциональный синфазной составляющей основной гармоники тока:

U28 Ксф1сф.

Выделение квадратурной составляющей осуществляется аналогичным образом, но за счет смещения полупериодов измерения в буферный регистр 27 из реверсивного

счетчика 31 переписывается величина, пропорциональная квадратурной составляющей 1кв.

Таким образом, в предлагаемом преобразователе реализуется измерение синфазной и квадратурной составляющих путем сравнения измеряемых сигналов с результатами измерения и интегрировс1ния ошибки, т.е. по принципу отрицательной обратной связи. За счет использования обратной связи повышается точность преобразователя в любых режимах работы, а применение интегрального регулятора обеспечивает подавление высших гармоник измеряемого тока и. следовательно, повышение точности при случайных искажениях формы измеряемого тока. Кроме того, предлагаемый преобразователь имеет низкую чувствительность к изменениям частоты измеряемого тока и высокое быстродействие.

а выходная информация представляется как в цифровом, так и в аналоговом виде.

Формула изобретения Преобразователь синфазной и квадратурной составляющих основной гармоники переменного тока по авт. св. ISfe 1485141. о тличающийся тем. что. с целью повышения точности преобразования, в него введены два элемента сравнения, два

интегратора, два модулятора, два цифроаналоговых преобразователя, входы которых соединены с выходами первого и второго буферных регистров, выходы соединены соответственно через первый и второй модуляторы с первыми входами первого и второго, элементов сравнения, вторые входы которых соединены с выходами первого и второго блоков перемножения, а выходы через первый и второй интеграторы соединены с информационными входами первого и второго преобразователей напряжение частота, управляющие входы модуляторов соединены соответственно с прямыми выходами первого и второго Т-триггеров.

Фиг-1

Изобретение относится к электроизмерительной технике и позволяет повыситьточность измерения синфазной и квадратурной составляющих основной гармоники переменного тока при случайных искажениях формы измеряемого тока. Измерение синфазной и квадратурной составляющих производится цифровым интегрированием за период интеграла от разности произведений тока на опорные синусоидальный и ко- синусоидальный сигналы и выходных напряжений 'цифроаналоговых преобразователей, пропорциональных синфазной и квадратурной составляющим. Снижение погрешности от случайных искажений формы измеряемого тока достигается применением интегрального регулятора в замкнутой системе измерения, подавляющего высшие гармоники. 2 ил.•^^